基于物聯(lián)網(wǎng)的流量儀表智能標定系統(tǒng)設(shè)計

胡曉若,樊知軒,彭世富,王 剛,王歆玥,魏 彪

(1.重慶川儀自動化股份有限公司,重慶 400707;2.重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

0 引言

流量儀表的專業(yè)生產(chǎn)制造企業(yè)在產(chǎn)品出廠前需要模擬現(xiàn)場實際進行標定,從而確定一些關(guān)鍵參數(shù)、檢驗產(chǎn)品能否達到合格的出廠技術(shù)指標。長期以來,流量儀表生產(chǎn)標定均采用手工或半自動的方式。標定過程手工操作會產(chǎn)生產(chǎn)品信息重復錄入的問題,導致每條管線單次標定耗時2 h以上,效率低下。由于人的操作失誤、校正系數(shù)不合理等原因,會導致產(chǎn)品性能不合格的事件時有發(fā)生,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)聲譽。

目前,對流量儀表生產(chǎn)過程全自動標定的相關(guān)資料較少,導致裝置的開發(fā)難度較大。 針對這種情況,本文對標定過程進行了深入研究,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所具有的網(wǎng)絡(luò)靈活、速率高、實時性強、穩(wěn)定高效等特點,賦能流量儀表生產(chǎn)的標定過程。本文設(shè)計了1種基于物聯(lián)網(wǎng)的流量儀表智能標定系統(tǒng)。該系統(tǒng)可縮短標定時間、增加產(chǎn)能,以實現(xiàn)全過程的自動化無人操作[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

標定現(xiàn)場有十余條管線。每條管線標定的流量儀表口徑量程不同。同規(guī)格被校表、標準表在同一管線。每根管線上安裝有多個待檢流量儀表。流量儀表標定過程為模擬儀表現(xiàn)場使用場景,對多個待檢流量儀表進行標定。根據(jù)這種特殊的工藝特點,本文設(shè)計了數(shù)字化感知網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、智能化系統(tǒng)(標定過程自動化)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)可視化[2]等部分,滿足了標定過程各環(huán)節(jié)需要,實現(xiàn)了流水線式的流量儀表標定,由此大幅節(jié)省了標定時間。數(shù)字化感知網(wǎng)絡(luò)包括4～20 mA、RS-232、RS-485、 可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路(highway addressabe remote transducer,HART)?；谖锫?lián)網(wǎng)的流量儀表智能標定系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的流量儀表智能標定系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)流量儀表標定過程的特殊性,系統(tǒng)進行了網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計,在不同的數(shù)據(jù)層設(shè)計了不同的網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)各種設(shè)備的互聯(lián)互通。

①被校表和標準表的儀表數(shù)據(jù)設(shè)計了可切換的RS-232、RS-485、HART所組成的網(wǎng)絡(luò),以滿足通信需求。每一標定管線通過邊緣計算單元與外界交換數(shù)據(jù)。

②被校表和標準表的儀表標準過程信號(4～20 mA)數(shù)據(jù)對內(nèi)采用遠程輸入/輸出(input/output,I/O)站采集數(shù)據(jù),通過美國通用電氣公司的Genius工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)連接可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC),以減少現(xiàn)場布線、保證整個標定過程的安全可靠。對外通過PLC系統(tǒng)處理器模塊IC695CPU310上的以太網(wǎng)接口與標定室中的云服務(wù)器進行實時通信,以傳送各種數(shù)據(jù)[3-4]。

③管線、PLC控制系統(tǒng)、云計算服務(wù)器、公司管理網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備通過以太網(wǎng)和基于傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)/網(wǎng)際協(xié)議(internet protocol,IP)的通信標準實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)場景的組網(wǎng),以滿足標定設(shè)備聯(lián)網(wǎng)化的數(shù)據(jù)需求。實時檢測的各類相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到本地云,通過云智能計算實現(xiàn)標定過程的自動化。

④通過控制網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)融合,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、計算、儲存、處理、共享,以及可視化的全部自動處理功能。標定過程根據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)的合同訂單信息確定被校表身份,選擇相應(yīng)標定算法,以避免產(chǎn)品信息被多次錄入的問題。

⑤對于移動終端用戶(即標定室之外的用戶),采用互聯(lián)網(wǎng)連接?；诮巧珯?quán)限管理,用戶登錄后瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù),以保證標定數(shù)據(jù)的安全。

系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)智能地連接標定人員、流量儀表產(chǎn)品和業(yè)務(wù),實現(xiàn)管理和標定數(shù)據(jù)融合共享、標定過程數(shù)字化集成以及標定過程自動化。本文標定系統(tǒng)包含了作為智能標定基礎(chǔ)的十多條標定線的標準表、被校表、標定環(huán)境設(shè)備、PLC控制系統(tǒng)和標定計算機、邊緣計算器、數(shù)據(jù)庫、公司管理系統(tǒng)、校驗相關(guān)管理人員等。不同的網(wǎng)絡(luò)相互融合,構(gòu)成人、機、物信息互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)。相關(guān)權(quán)限人員通過各種移動設(shè)備獲得經(jīng)過處理的標定相關(guān)信息,以實現(xiàn)標定生產(chǎn)過程自動化、智能化、全生命周期過程管理,從而更快速地響應(yīng)市場需求[5]。

3 系統(tǒng)軟件智能化設(shè)計

3.1 數(shù)字化感知設(shè)計

標定過程的每個環(huán)節(jié)都需要實時感知。系統(tǒng)數(shù)字化感知端是數(shù)據(jù)底層,分布在11條主管線。每條管線可標定5臺被校表。由于標定過程的特殊性,需要同時從2種途徑獲取數(shù)據(jù)。首先是流量儀表的4～20 mA或代表瞬時流量的脈沖信號(客戶現(xiàn)場使用),采用美國通用電氣公司的PLC采集流量儀表、體積管、壓力變送器、溫度變送器等輸出的模擬量信號。其次是通過RS-232、RS-485、HART通信獲取的標定儀表標定過程的其他數(shù)據(jù),即標定現(xiàn)場每臺儀表都有2組電纜連接服務(wù)器端。標定過程需原位檢測與全流程泛在感知。

在標定感知端:一方面,為了兼顧不同產(chǎn)品和不同的通信協(xié)議,標定現(xiàn)場通信電纜接頭種類繁多,線多容易亂,不符合安全文明生產(chǎn)的要求,安全隱患大;另一方面,云計算服務(wù)器須遍歷各管線所有采集數(shù)據(jù),消耗大量計算時間,導致標定模型計算時效性不強。為了解決這些問題,系統(tǒng)采用邊緣計算器整合現(xiàn)場各種通信線,以實現(xiàn)被校管線設(shè)備和標定過程數(shù)據(jù)采集的I/O實時通信;用網(wǎng)絡(luò)集成邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)儀表不同通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,并與標定產(chǎn)品之間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成感知系統(tǒng);標定數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上傳到云端。云端計算能力下沉到靠近被校表的邊緣節(jié)點。由1根網(wǎng)線連接云端服務(wù)器,通過以太網(wǎng)交換相關(guān)數(shù)據(jù),網(wǎng)速快且減少了現(xiàn)場布線,使現(xiàn)場整潔、規(guī)范。這有效解決了通信種類多導致標定現(xiàn)場線多且亂的問題,保證了安全性[6]。

3.2 標定專家系統(tǒng)設(shè)計

標定過程是流量儀表產(chǎn)品智能制造數(shù)字化生產(chǎn)車間的重要環(huán)節(jié),需要對每個關(guān)鍵工序進行精準控制。D13標定操作人員、現(xiàn)場技術(shù)負責人、流量儀表技術(shù)負責人等在數(shù)十年的生產(chǎn)過程中積累了豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗,對標定理論和實踐有深入理解。系統(tǒng)智能化集成了這些知識,設(shè)計開發(fā)了標定專家知識庫,即基于規(guī)則的、在流量儀表標定領(lǐng)域中具有專家水平解題能力的智能程序系統(tǒng)。標定數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 標定數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)示意圖

基于規(guī)則的流量儀表標定專家系統(tǒng)由5個部分組成,分別為標定專家知識庫、標定處理模塊、標定知識庫和推理機、解釋機制和數(shù)據(jù)可視化界面。標定專家系統(tǒng)能模擬人類標定專家的思維過程,運用知識進行推理并根據(jù)不同的流量儀表產(chǎn)品及時給出滿意的標定解決方案,從而自動解決標定過程的相關(guān)問題,使標定結(jié)果更好地滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理的要求。

3.3 標定過程自動化設(shè)計

流量儀表自動標定過程有2項重要的內(nèi)容直接影響質(zhì)量。

①各標定點精確、穩(wěn)定的環(huán)境生成和控制,屬于流程工業(yè)自動化的被控流程。

②標定數(shù)據(jù)的計算和處理,由云平臺內(nèi)置的標定專家系統(tǒng)確定。

標定點精確環(huán)境生成和控制首先由標定處理模塊根據(jù)標定專家知識庫,針對不同的產(chǎn)品給出不同的標定方案;然后通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn),以自動建立相應(yīng)穩(wěn)定精確的標定環(huán)境點,完成整個標定過程。由于控制閥等標定設(shè)備的固有誤差,傳統(tǒng)標定方式很難滿足要求。

標定模糊控制原理如圖3所示。

圖3 標定模糊控制原理圖

標定數(shù)據(jù)的計算和處理由標定系統(tǒng)通過模糊控制過程性能關(guān)鍵變量,自動適配標定過程參數(shù)并計算是否滿足要求;通過標定專家知識庫的相關(guān)知識,自動修正標定系統(tǒng)設(shè)備的檢定誤差、提高標定儀表精度,使其能夠達到更高精度流量儀表標定過程設(shè)計要求值。在標定的各點,云平臺同時讀寫PLC控制系統(tǒng)和各儀表的相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)標定專家知識庫的知識檢定被校表。這就是自動檢測、處理標定數(shù)據(jù),改寫被校表相關(guān)存儲器數(shù)據(jù)使其滿足技術(shù)要求的過程。此外,標定結(jié)束后,系統(tǒng)可以根據(jù)校核計算結(jié)果自動生成標定證書(例如“流量標定專用報表”“標定數(shù)據(jù)表”“校準原始記錄”“中(英)文版校準證書”等),同時在相應(yīng)證書上由“校驗員”和“校準員”自動簽字,并自動保存“校準記錄”到數(shù)據(jù)庫、自動生成標定結(jié)果[7]。

流量儀表存儲單元B51、B52的參數(shù)自動計算和修正算法在云平臺實現(xiàn)。根據(jù)標定專家知識庫的相關(guān)知識,內(nèi)置的控制算法監(jiān)測被校表與邊緣計算模塊實時通信。在各標定點采集到的相關(guān)標定過程數(shù)據(jù)預存儲到邊緣計算模塊。算法模塊通過采集的原始標定過程數(shù)據(jù),分析計算后修正流量儀表存儲單元B51、B52參數(shù),使儀表達到出廠相關(guān)參數(shù)要求。修正后的參數(shù)作為最終結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫,以便查詢。

3.4 數(shù)據(jù)智能共享設(shè)計

任務(wù)單編號、型號、準確度等級、設(shè)備身份標識(identity document,ID)號等被校表身份信息,在流量儀表產(chǎn)品生命周期是唯一的。這些身份信息在產(chǎn)品銷售訂單生成時產(chǎn)生于公司管理系統(tǒng)。標定數(shù)據(jù)必須與相應(yīng)唯一身份的被校表對應(yīng)。標定數(shù)據(jù)庫服務(wù)器向管理系統(tǒng)獲取待生產(chǎn)訂單對應(yīng)的任務(wù)單編號、表號等信息,并將信息發(fā)送至標定處理模塊;通過標定專家系統(tǒng)處置信息,進行相關(guān)標定流程處理。標定結(jié)果的相關(guān)信息需要在管理系統(tǒng)中查詢,以實現(xiàn)標定后生產(chǎn)產(chǎn)品的管控、監(jiān)督和流程追溯。

為了避免重復錄入數(shù)據(jù)、消除信息孤島,系統(tǒng)通過集成已有軟硬件平臺,采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)交換接口的方法,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)智能共享,達到企業(yè)級管理系統(tǒng)與標定過程自動化數(shù)據(jù)融合。這一方面避免了生產(chǎn)產(chǎn)品信息重復錄入、提高了工作效率,另一方面實現(xiàn)了十余條管線數(shù)據(jù)的讀取和存儲共享,有利于降本增效。

為了實現(xiàn)共享,本文完成了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫設(shè)計和數(shù)據(jù)交換接口設(shè)計。

①網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時,本文采用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源共享。十余條管線共享1套數(shù)據(jù)庫,存儲相關(guān)實時數(shù)據(jù)和可追溯的歷史數(shù)據(jù)。后臺數(shù)據(jù)庫加上前臺程序,完成數(shù)據(jù)存儲、查詢等操作。各操作運行客戶端通過以太網(wǎng),借助于數(shù)據(jù)庫技術(shù)對標定過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進行有效管理,并實現(xiàn)各終端與數(shù)據(jù)庫的實時動態(tài)數(shù)據(jù)交換。從管理系統(tǒng)讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)也保存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

②數(shù)據(jù)交換接口設(shè)計。本文為數(shù)據(jù)共享交換設(shè)計開發(fā)了接口程序,在各標定終端設(shè)備間和管理系統(tǒng)之間提供應(yīng)用集成框架,實現(xiàn)各終端設(shè)備間的信息交換共享,并提供數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。由于產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)單從錄入到標定需多個工作日后才能完成,實時性要求不高,故數(shù)據(jù)交換設(shè)定為每天開機自動同步[8]。

3.5 數(shù)據(jù)可視化設(shè)計

數(shù)據(jù)可視化設(shè)計是數(shù)據(jù)價值的體現(xiàn)。其目的是構(gòu)成標定過程任意管線、人、機信息的互聯(lián)互通。相關(guān)標定人員能從數(shù)據(jù)可視化端知曉具體的標定過程情況。因此,本文在標定室設(shè)計了可視化數(shù)據(jù)駕駛艙,通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)幫助標定人員和相關(guān)管理者掌控流量儀表標定生產(chǎn)的實時狀況,并展示標定過程和結(jié)果的關(guān)鍵指標;通過鼠標操作即可獲得可視化的不同數(shù)據(jù),滿足智能標定生產(chǎn)過程的各種要求。

功能模塊的具體組成為可視化范圍選擇子模塊、標定工況可視化子模塊、標定工況統(tǒng)計分析可視化子模塊、校準記錄可視化子模塊等。

互聯(lián)網(wǎng)用戶(標定室以外的外部網(wǎng)絡(luò))的可視化設(shè)計采用瀏覽器/服務(wù)器(browser/server,B/S)結(jié)構(gòu)讀取標定現(xiàn)場數(shù)據(jù),基于角色權(quán)限管理授權(quán)瀏覽標定現(xiàn)場數(shù)據(jù),通過IE瀏覽器登錄云端并進入系統(tǒng)進行操作。系統(tǒng)設(shè)有歷史操作記錄,可以保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)的安全性。

4 結(jié)論

高品質(zhì)流量儀表的制造離不開高精度的流量標定裝置。本文設(shè)計的流量儀表智能標定系統(tǒng)通過智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化賦能生產(chǎn)過程[9],實現(xiàn)了信息化管理系統(tǒng)與工業(yè)化標定系統(tǒng)融合、避免了產(chǎn)品信息重復錄入、提升了流量儀表智能生產(chǎn)效率和標定智能化水平、縮短了制造周期、提高了制造精度。該標定系統(tǒng)實現(xiàn)了流量儀表標定過程全自動無人化生產(chǎn)[10],降低了員工勞動強度和人為出錯率,使標定周期由原來的120 min縮短到40 min。該標定系統(tǒng)是流量儀表制造企業(yè)產(chǎn)品信息傳遞、溯源與檢定測試工作的重要設(shè)備,可以同時標定十余條管線,進行產(chǎn)品誤差、重復性和準確度的計算。這是流量儀表產(chǎn)品數(shù)字化生產(chǎn)車間智能制造的重要環(huán)節(jié)[11]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的流量儀表智能標定系統(tǒng)自2017年投入使用以來,性能穩(wěn)定可靠,使用效果良好,達到了國內(nèi)同行業(yè)的領(lǐng)先水平,是國內(nèi)自主研發(fā)的流量儀表全自動標定生產(chǎn)裝置。該系統(tǒng)為流量儀表生產(chǎn)企業(yè)自動標定、生產(chǎn)智能化作出了貢獻,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益,為企業(yè)實現(xiàn)了降本增效[12]。